КІРІСПЕ Физика

Физика материяның қозғалысын зерттейді дегенде, бұл жерде сөз тек ме- ханикалық қозғалыс туралы болып отырған жоқ. Қозғалыс — жалпы кез кел- ген өзгерістер. Сондықтан физика механикалықпен катар, қозғалыстардың молекулалық-кинетикалык, электрмагниттік, атом немесе ядро деңгейіндегі ішкі қүрылымдық түрлерін де карастырады. Бүлардың ішінде, әрине, меха- никалық қозғалыспен бірінші танысу керек. Өйткені, кез келген кұбылыстарда кеңістікте орын ауыстыру кездесіп отыратындықтан, механиканы игермей, физиканың басқа бөлімдерін оқып үйрену мүмкін емес.

Материяның механикалық козғалысы уақыт аралығында кеңістікте жүре- тіні айқын. Сондыктан ұсынылып отырған оқулык механиканың қозгалыс, кеңістік жэнеуақыт түсініктерінің аныкгамаларынан басталып отыр. И. Нью- тон бойынша кеңістік пен уақыт — абсолют үғымдар жэне олар бір-бірімен де, материямен де байланыста емес. Әрине, физиканың дамуы барысында бүл түсініктерге толықтырулар мен түзетулер енгізілді. Атап айтқанда, осы кітаптың 4-тарауында кеңістік пен уақыт аралыктарының салыстырмалылы- ғы негізделіп, олардың арасындағы байланыс Г. Минковский ұсынған катаң математикалық түрде беріліп отыр. Ал 6-гарауда тартылыс өрісі кеңістікті қисайтатыны жэне жарық жиілігін өзгертетіні, яғни материяның кеңістік пен уакытқа эсері туралы сөз болады.

2.    Физика әдістері. Күнделікті өмірде және қолданбалы әрекет бары- сында әр алуан физикалық объектілерді, кұбылыстарды, процестерді жиі ұшырату нәтижесінде адам өзінің санасында сол объектілердің, кұбылыстар мен процестердің жэне олардың арасындағы байланыстардың модельдерін қүрып, оларды қолдану ережелерін калыптастырады. Осыған сәйкес, физи-

Модельдер кұру барысында тек осы құбылыстар қатарына тэн қасиеттер мен байланыстар ескеріледі. Сондықтан әдетте қолданылатын модельдер жуық болады, демек, олар тек қабылданған шектеулер, келісімдер шеңберінде ғана дұрыс бола алады. Екінші жағынан, кейбір зерттеушілердің карастырып отырған күбылысқа айтарлықтай эсері жоқ факторларды ескеруге ешбір негізсіз тырыскандарына байланысты, олардың ғылыми ізденістерінің сэтсіз аяқталғаны белгілі. Бұл жерде бір физикалық объектінің эр түрлі жағдайларда әр алуан модельдермен бейнеленетінін атап өту маңызды. Мысалы, Жерді кейбір жағдайда материялық нүкте деп санауға болса, екінші бір есептің шар- ты бойынша олай деуге болмайды.

Ғылыми зерттеулер физикалық модельдерді үнемі кеңейтіп, толықтырып отырады. Мұндай мүмкіншіліктер эксперимент пен бақылаулар арқасында туады. Сондықтан көп жағдайларда физиканы эксперименталдық гылым деп атайды. Оның модельдері бақылаулар мен эксперименттерде табылған қасиеттерді адекватты түрде суреттеулері керек. Екінші жағынан, модельдер- дің қолданылу шектері экспериментпен анықталады.

Сонымен, эксперименталдық эдістің мазмұны мынада: бастащыда эксперимент пен бақылаулардың негізінде модель құрылады, эрі қарай оның шецберінде зерттеліп отырган құбылыс туралы өз ретінде бақылаулар мен тәжірибелерде тексерілетін болжамдар айтылады, олардың негізінде бастапқы модельге анықтаулар енгізіліп, жаңа болжамдар жасалып, зерт- теу процесі қайталана береді.

Физика саласында елеулі жетістіктер екі жағдайда болуы мүмкін. Мұн- дай мүмкіншіліктер, біріншіден, егер модель негізінде жасалған болжамдар тәжірибе жүзінде дәлелденбесе, екіншіден, зерттеу барысында белгілі мо- дельмен шектелмейтін жаңа қүбылыстар анықталса туады. Бірінші жағдайда белгілі модельді түзетуге, ал кейде оны, тіпті, жаңа модельмен алмастыруға тура келеді. Егер модельді алмастыру негізгі түсініктерді кайта караумен байланысты болса, физикадағы революция туралы айтуға болады. Екінші жағдайда физиканың жаңа саласы калыптасады. Бірінші жағдайға көрнекті мысал ретінде кеңістік пен уақыттың И. Ньютон үсынған моделінің негізгі түсініктерін кайта қарастыру нэтижесінде туған салыстырмалылыктың ар- найы теориясын келтіруге болады. Екінші жағдайға кванттық механиканың

Физиканың эксперименталдык эдісі модельді қүратын барлық көзқарас- тарға, түсініктерге жэне басқа да элементтерге бірмэнді түсініктеме беруді талап етеді. Яғни, модель суреттемесінде шынайы өмірде жүріп жатқан про- цестермен, қүбылыстармен немесе модельдің алдын ала анықталған басқа элементтерімен байланысты бірмәнді түсіндірілмеген элемент болмауы қажет.

3.    Физикалық заңдар. Теориялық физика мақсаттарының бірі — физикалык заңдарды түжырымдап, олардың негізінде нақты қүбылыстарға түсініктеме беру. Физиканың заңдары бізді қоршап түрган дүниеде байқалатын объективті заңдылықтарды бейнелейді, сондықтан олар субъективтік факторларға тэуелді болмауға тиіс. Дегенмен, зерттеуші субъект табиғат заңдарын тану процесіне еріксіз ықпалын тигізеді.

Зерттеуші ықпалының көрінісі физикалық шамаларды өлшеу бірліктерін таңдаумен байланысты. Өлшеу бірліктерін жэне физикалық шамалардың бірліктер жүйесін кабылдағанда, эдетте олардың ғылыми дамуының осы тарихи кезеңіне сәйкес қолайлылығын басшылыққа алады. Әрине, физика заңдарының түжырымдамасы физикалык шамалардың өлшем бірліктерін таңдап алудағы еркіншілікке тәуелді болмауы керек.

Физикалық заңдардың физикалық шамалардың өлшем бірліктерін таңдауға тәуелсіздігі метрикалық инварианттылық принцип деп аталады.

Физиканың барлық заңдары осы принципті қарастырып толықтырады. Физикалық заңдардың метрикалық инварианттылық принципіне бағыныш- тылығына байланысты, олардың түжырымдамасында міндетті түрде пропор- ционалдық коэффициенттер болады. Егер заңға енген барлық шамалардың бірлікгері алдын ала белгіленген болса, пропорционалдык коэффициенттер анықталған сандық мэн қабылдайды. Мысалы, дэл осылай кезінде Ньютон- ның бүкіләлемдік тартылыс заңы құрамындағы гравитациялық тұрақтының мэні табылған болатын.

Кейбір жағдайларда физикалық заң қайсыбір физикалық шаманың өлшем бірлігін анықтау үшін қолданылады. Мүндай жағдайларда пропорционалдық коэффициент толығымен біздің еркімізде, яғни оған кез келген 1 -ге тең сандық мэн бере аламыз.

Физика заңдары тұжырымдамаларындағы екінші бір еркіншілік элементі санақ жүйесін таңдап алумен байланысты. Физикада дене қозғалады деген

Дегенмен, физикалъщ заңдардың тұжырымдамалары санақ жуйелерін таңдап алуга тәуелді емес: олар геометриялық инварианттылық принципін қанагаттандырады.

Бірақ, қалай болғанда да, геометриялық инварианттылық қай санақ жүйесіне қарағанда орын алып отырғанын анықтау қажет. Дәлірек айтқанда, геометриялық инварианттылық принципі инерциялық санақ жүйесінде орын- далады. Бірақ, қажетті қосымша шарттар орындалса, бұл принципті инер- циялық емес санақ жүйесінде де қолдануға болады.

Көбіне физикалық заңдардың мазмұны математикалық түрде А жэне В физикалық шамалардың сәйкес а жэне в сандық мэндерінің арасындағы бай- ланыспен беріледі (эрине, байланыстағы шамалардың саны кез келген болаты- ны айқын). Бұдан физика заңдарын тұжырымдау үшін физикалық шамаларды өлшеудің түбегейлі маңыздылығы шығады.

Физикалық шамалардың арасындағы сандық байланыстарды математика- лық түрде өрнектейтін физикалық заңдар абсолютті дэл емес: олардың дэлдігі сэйкес уақыт кезеңіндегі ғылым мен техниканың даму деңгейімен байланыс- ты. Дегенмен, физика заңдарының жуықтығы олардың маңызын кемітпейді: физикалық заңдар, жуық та болса, материяның объективтік қасиеттерін са- лыстырмалы дұрыс бейнелейді жэне олардың дэлдігі таным процесінде арта түседі.

Өте күрделі физикалық процестерді талдағанда, себептік байланыстар мен заңдылықтар саны көп болып, бэрін ескеруге қиын болғандықтан, элбетте, олардың арасынан тек ең маңыздыларын бөліп алуға тырысады. Ал байланыс- тар мен заңдылықтардың қайсысы түбегейлі маңызды, қайсысы оншалықты маңызды емес екені тэжірибе жүзінде салыстырмалы анықталады. Сонымен, талдау барысында негізгі, маңызды ерекшеліктер бөлініп, эсері аз эффектілер ескерілмей, қабылдап алған абстракциялардың шектеу аймағында зерттеліп отырған құбылыстың моделі құрылады.

4.    Физикалық шамалар, оларды анықтау және өлшеу. Физикалық ша- малар денелердің қасиеттерін немесе процесс сипаттамаларын анықтайды.

Физикалық шамаларды анықтайтын екі эдіс бар. Мысалы, жылдамдық анықтамасы белгілі деп санап, үдеуді жылдамдықтың өзгеру жылдамдығы сияқты анықтауға болады. Мүндай анықтамалар математикалық формула- лар көмегімен беріледі. Әрине, бұл әдіспен барлық физикалық шамаларды анықтауга болмайды. Шынында, бір шамадан екінші шамаға ауыса отырып, ақырында қайсыбір физикалық шаманы басқа бір әдіспен анықтауға мэжбүр боламыз. Егер үдеу жылдамдық пен уақыт арқылы анықталса, ары қарай жылдамдық пен уақыт аралығын анықтау қажет болады. Жылдамдық өз ретінде жол кесіндісі мен уақыт арқылы беріледі. Енді оларды басқа эдіспен анықтау керек. Бұл әдісті операциялық деп атайды. Физикада тек ерекше өзіне тән түсініктер ғана емес, сонымен қатар жалпы түсініктер де қолданылады. Түсініктердің бүл тобын шартты түрде жалпы философиялық деп атауға бола- ды. Осы топқа, мысалы, мащерия, қозгалыс, кеңістік, уақыт, т.с.с. түсініктер жатады. Бірақ жалпы философиялық анықтамалар өздігінен элі де болса жеткіліксіз. Оларды физиканың қажетіне жарату қажет.

Енді физикалық шаманы өлшеу мәселесіне көшейік. Физикалық шаманы өлшеу — оны бірлік ретінде қабылданған өзі тектес басқа бір шамамен салыс- тыру.

1 -ге тең сандық мэн берілген физикалық шамаларды бірлік физикалық ша- малар деп атайды. Физиканың іргетасын қалайтын кейбір заңдар қүрамында пропорционалдық коэффициенттер болмас үшін эр тарихи уақыт кезеңдерінде физикада эр түрлі бірліктер жүйелері қабылданды. Мысалы, қазіргі уақытта на- зар Халықаралық бірліктер жүйесіне (ХБЖ) түсіп отыр. Бірақ, ешқандай санақ жүйесі барлық физика заңдарының формулаларын пропорционалдық коэффи- циенттерден босата алмайды. Мысалы, ХБЖ-де жазылған механика, электр- динамика формулаларының қүрамында пропорционалдық коэффициенттер болмағанмен, олар электрстатика формулаларында қалып қояды.

5.   Бірліктер жүйесі. Халықаралық бірліктер жүйесі (ХБЖ). Физикада қолданылатын шамалар тек өздеріне тэн бірліктермен өлшенеді. Сондықтан өлшем бірліктерінің саны физикалық шамалардың санына тең. Мүндай саны көп өлшем бірліктерін қолдану өте қолайсыз. Бақытымызға қарай, түрлі физикалық шамалардың біраз бөлігі өзара тэуелді, демек, осыған байланысты өлшем бірліктері санын азайтуға мүмкіндік бар. Ягни, физикалық іиамалар- дың арасындагы байланыстарды қолдана отырып, оларды бір-бірі арқылы

Негізге алынатын физикалық шамаларды таңдау мүмкіншілігі шектел- мейді. Өлшем бірліктерінің барлық жүйелері шын мәнісінде өзара теңдес. Олардың арасынан біреуін таңдап алу тек оның қолайлылығына, қалыптасқан дәстүрге, тіпті зерттеушінің өзіндік ерекшеліктеріне байла- нысты.

1960 жылы өлшеуіштер мен таразыларға арналған XI бас конференция: а) алты түбегейлі бірліктер негізінде құрылған жүйеге «Халықаралық бірлік- тер жүйесі» деген ат беру; э) аталмыш жүйені «81» (ХБЖ) деп белгілеу; б) есе- лік жэне бөліктік бірліктерді өрнектеу үшін арнайы кесте енгізу; в) болашакта саны артуы мүмкін екендігін айта отырып, 27 туынды бірліктер кабылдануы туралы бірнеше маңызды шешім қабылдаған еді. Еселік жэне бөліктік өлшем бірліктерінен басқа, ХБЖ бірліктерімен қатар немесе уақытша кейбір жүйеден тыс өлшем бірліктері қолданылуы мүмкін.

ХБЖ-нің негізгі бірліктері: метр (м) — үзындық бірлігі; килограмм (кг) — масса бірлігі; секунд (с) — уақыт бірлігі; кельвин (К) — термодинамикалық тем- пература бірлігі; моль (моль) — зат мөлшерінің бірлігі (кейіннен қосылды); ампер (А) — ток күшінің бірлігі; кандела (кд) — жарык күшінің бірлігі.

Қосымша бірліктер: радиан (рад) — жазық бүрыш бірлігі; стеридиан (стер) — денелік бұрыш бірлігі.

Туынды бірліктер негізгі жэне қосымша бірліктерден аныктаушы теңдеулер көмегі арқылы қүралады. Егер туынды бірлік басқа бірліктермен қүрамындағы пропорционалдық коэффициент бірге тең теңдеулер арқылы байланысса, ол когерентті болады.

Әрбір негізгі бірлікке оның өлшемділігі деп аталатын жэне латын неме- се грек әліпбиінің бас әріптерімен өрнектелетін белгі бекітіледі. Мысалы: ұзындықтың өлшемділігі — Е, массаның — М, уақыттың — Т, т.б. Физикалық шаманың өлшемділігін сііт (ағылшынша сіітетіоп — өлшеу, өлшем) символы- мен белгілейік. Онда

жылдамдық үшін сііту= — = БТ^-1;

үдеу үшін                       (ііта=ЕТ~²;

Яғни, механиканың негізгі шамалары ХБЖ-де негізгі үш өлшем бірліктері — ұзындық, масса, уақыт арқылы өрнектеліп отыр. Оң, теріс немесе нөлге тең бола алатын а, Д у көрсеткіштер физикалық шаманың өлшемділік көрсеткіиіі деп аталады. Көбіне біт символының орнына квадрат жақша белгісі қолданылады, мысалы: ёіто=[о], с1ітҒ=[Ғ], т.б.

Енді ХБЖ-де негізгі механикалық бірліктердің анықтамаларын келтірейік.

Метр жазық электрмагниттік толқынның секундтің 1/299792458 бөлігінде вакуумде жүрген қашықтыққа тең. Секунда Цезий-133 атомының негізгі күйіндегі екі жүқа деңгейдің арасындағы ауысуға сәйкес сәуле шығарудың 9192631770 периодына тең. Килограмм, жуықтап алғанда, температурасы 15 °С 1 л таза судың массасына тең. Метр, килограмм, т.б. эталондар Өлшеуіштер мен таразылар палатасында сақталады.

6.    Физиканың техникамен, басқа ғылымдармен байланысы. Физика барлық жаратылыстану ғылымдарымен, философиямен тығыз байланыста. Мысалы, барлық заңдары математикалық өрнек түрінде берілетіндіктен, фи- зиканы математикасыз елестету тіпті мүмкін емес. Тек математикалық аппа- раттың көмегімен ғана физикалық күбылыстарда орын алатын аса күрделі заңдылықтарды талдап, суреттеуге болады. Математикалық эдістерді дамыту- дың өзі көп жағдайда қолданбалы мақсатқа — табиғаттың заңдылықтарын тал- дауға тығыз байланысты. Сондықтан физиканың жалпы жэне экспериментал- дық деп аталатын бөлігімен танысқанның өзінде математиканы қатар үйрену керек. Физика мен математиканың тығыз байланысынан математикалыц фи- зика деп аталатын ғылым саласы туды, сол сияқты астрофизика, физикалъщ химия, биофизика, геофизика, т.б. ғылым салалары қалыптасты.

Философия мен физиканың арасындағы тура байланыс тіпті айкын. Ғылымның даму тарихына көз салсақ, ерте дүниеде ғылым ретінде бірінші болып философия қалыптасқан. Бері келе, адамның күнделікті қажеттілігіне, мұқтаждығына байланысты жэне таным процесіне сэйкес, философиядан ме- ханика жеке бөлінді. Өз ретінде механика қазіргі біз куэ болып отырған физика ғылымына негіз болды.

Физикалық заңдар бірқатар техникалық ғылымдардың негізгі қағидалары ретінде қолданылады. Физика саласындағы жаңалықтар мен зерттеулер техниканың жаңа салалары тууына себеп болып отыр. Мысалы, машина жа- сау механика заңдарына, электртехника мен радиотехника электрмагниттік қүбылыстар заңдарына сүйенеді. Физиканың жетістіктері күнделікті өмірде —

Кванттық механиканың заңдары атом ядросын, элементар бөлшектер қасиеттерін, термоядролык синтезді, кванттык электрониканы, катты дене физикасын, осы заманғы физиканың басқа салаларындағы зерттеулердің іргетасын қалайды. Өткен ғасырдағы бірқатар аса маңызды техникалық жетістіктер квантты-механикалық есептеулерге негізделген. Демек, бастапқы күмэндануға қарамастан, кванттық механика тек физик-зерттеушілерге ғана емес, инженерлерге де пайдасын тигізді, яғни, шын мәнісінде «инженерлік» ғылымға айналды.

7.    Механика тарихы. Механиканы оқып-үйрену алдында оның даму тарихының негізгі белестерімен танысқан пайдалы. Механиканың даму процесі адамзат мэдениеті тарихымен тығыз байланыста. Осы уақытқа дейін сақталған Мысырдағы пирамидалар мен ертедегі қүрылыстардың қалдықтары бізді ежелгі халықтарға тепе-теңдіктің негізгі заңдары белгілі болғанын мойындауға мэжбүр етеді, ол заңдарсыз сондай зэулім ғимараттарды салу мүмкіндігі бол- мас еді. Грек философы Аристотель (б.д.д. 381-322 жж.) өзінің «Физика» деген еңбегінде сол кезде механика саласында белгілі болған деректерді бір жүйеге келтіргенмен, күш пен қозғалыс арасындағы негізгі заңды дүрыс түжырымдай алмады. Бұл қателік тек XIX ғасыр өткеннен кейін ғана айқындалды. Барлық ме- ханизмдерге қатысы бар иінніңтепе-теңдігі туралы заң мен қалқыған денелердің тепе-теңдік заңын атақты Архимед (б.д.д. III ғ.) тұжырымдаған болатын. Міне, сол кезден бастап механика шын мэнісінде ғылым ретінде қалыптаса бастады. Ортағасырлық ғалымдар денелердің тепе-теңдігі жэне оның ерекшеліктері ту- ралы жаңа деректер тапты, бірақ олар элі де болса Аристотельдің көзқарасынан шыға алмай, денелер қозғалысының негізгі заңын қате түсінді.

Тек XVII ғасырда Г. Галилей (1564-1642) денелер қозғалысының негізгі заңын дұрыс тұжырымдай білді. Бірнеше ондаған жылдардан кейін осы заңға жэне замандас ғалымдардың жетістіктеріне сүйене отырып, үлы физик И. Нью- тон (1643-1727) механикалық қозғалыстың негізгі заңдарын анықтап, жүйеге

Кейін зерттеушілер механиканың негізгі заңдылықтарын жалпы түрге келтіріп, күрделі механикалық қүбылыстарды талдау эдістерін жетілдірді. Ең алдымен Л. Эйлердің, Д. Бернуллидің, Ж. Даламбердің, Ж. Лагранждың еңбектері жататын бүл зерттеулердің нәтижелері туралы теориялық механика- да жэне басқа арнаулы пэндерде сөз болады.

XIX ғасырдың аяғында классикалық физиканың зэулім ғимараты салы- нып біткендей болып еді. Дегенмен, физиктердің ішіндегі ең бір көрегендері бүл ғимараттың әлсіз жерлері бар екенін түсінді. Мысалы, агылшын ға- лымы У. Томсон (лорд Кельвин, 1824-1907) классикалық физиканың ашық аспанының көкжиегінде екі бүлт бар екеніне назар аударды: олардың біреуі — аб- солют қара дененің сэуле шығару теориясын қүрудағы сэтсіздік, екіншісі — жарық толқындарының таралуы болжамдалған орта — эфирдің қасиеттеріндегі қайшылықтар.

Ньютон механикасының қиыншылықтарын жеңу эрекеттері күтпеген нәтижелер экелді. Эфирге байланысты тэжірибелік деректердің қайшылық- тары А. Эйнштейнді (1879-1956) И. Ньютон заманынан ақиқат болып сана- латын кеңістік пен уақыт туралы түсініктерді қайта қарауға мэжбүр етті. Осының нәтижесінде 1905 жылы жарық жылдамдығымен салыстыруға келетін жылдамдықтармен қозғалған денелер үшін Ньютон механикасы теңдеулерінен елеулі айырмашылықтары бар қозғалыс теңдеулерін алуға мүмкіндік беретін арнайы салыстырмалылық теориясы туды. Осылай классикалық механика нъютондьщ (немесе релятнвистік емес) жэне релятивыстік механика болып екіге бөлінді.

Абсолют қатты дененің сәуле шығару есебін шешу үшін М. Планк (1858- 1947) 1900 жылы жарықты үздік бөліктер — кванттармен шығару туралы классикалық физикаға қисыны келмейтін түсінік енгізді. Осыған байланысты XX ғасырдың табалдырығында кейінірек кванттық механиканың қалыптасуына негіз болған квант түсінігі туды. Луи де Бройль (1875-1960) 1924 жылы зат бөлшектері (электрон туралы) белгілі шарттар орындалғанда, корпускулалық қасиеттермен қатар, толқындық қасиеттерге де ие болатыны туралы батыл ги- потеза айтты.

Де Бройль болжамй эксперим^енталды түрде дәлелденіп, оның негізінде Э. Шредингер (1887-1961) мен В. Гейзенберг (1901-1976) жаңа физикалық тео- рияны — кванттық механиканы ұсынды. Бүл теорияның мазмұнын атом жэне молекула көлемінде бақыланатын құбылыстарды түсіндіретін заңдар құрады.

Әрине, жетістіктері мен жаңалыктары осы заманғы техниканың жоғары деңгейде дамуына барынша әсерін тигізген, колданбалы нәтижелері механика саласындағы біздің біліміміздің дұрыстығын дэлелдеген бірнеше ұрпак меха- никтер мен инженерлердің баға жетпес сіңірген еңбектерін ерекше атау керек. Ғалымдардың XIX жэне XX ғасырларда жүргізген зерттеулері механикалык құбылыстар саласындағы біздің білімізді айтарлықтай кеңейтіп, толықтырды. Дегенмен, механика ғылымы элі өзінің шегіне жеткен жоқ, бұл саладағы көрнекті де маңызды жаңалықтар болашақта десек, артык болмас.